GMS在東河南寨水庫壩體滲流分析中的應(yīng)用

王小旭

水工設(shè)計(jì)

GMS在東河南寨水庫壩體滲流分析中的應(yīng)用

王小旭

（唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北唐山063000）

以東河南寨水庫為例，應(yīng)用GMS軟件的SEEP2D模塊對(duì)水庫壩體進(jìn)行了滲流穩(wěn)定分析計(jì)算，通過計(jì)算得到了水庫壩體滲漏量、滲流場等結(jié)果，并指出了GMS軟件在壩體滲流分析應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足。

GMS；SEEP2D；東河南寨水庫；滲流分析

1 GMS簡介

GMS（Groundwater Modeling System）地下水模擬系統(tǒng)是一個(gè)地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的集成系統(tǒng)，內(nèi)含SEEP2D、MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、NUFT、UTCHEM等多個(gè)子模塊，輔以統(tǒng)一的模型構(gòu)建、參數(shù)賦值、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、結(jié)果分析等前、后處理功能，GMS可以方便快捷地對(duì)地下水進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，是目前國際上最受歡迎的專業(yè)軟件。SEEP2D子模塊可以用于模擬承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和非飽和帶的水流；對(duì)無壓流問題，模型只局限于飽和帶，并通過GMS的后處理功能可直接得出流場圖、等勢(shì)線圖、測壓管水頭線和孔隙水壓力等值線圖等。

SEEP2D模型采用的控制方程（拉普拉斯方程）：

▽·（K·▽h）=0

又可寫為：

式中h為總水頭（位置水頭加壓力水頭）；K為滲透系數(shù)。

2 壩體滲流分析

2.1 基本情況

東河南寨水庫位于遷西縣興城鎮(zhèn)東河南寨村，屬灤河水系，為小（2）型水庫，總庫容56.1萬m3，大壩為黏土心墻壩，壩頂長287m，最大壩高12.2m，壩頂高程31.9m，壩頂寬度為4m，上游壩坡坡比為1∶2.2，壩坡為干砌石護(hù)坡，下游壩坡坡比為1∶2，無護(hù)砌。

2.2 模型建立

2.2.1 計(jì)算斷面

選取壩高最大斷面作為典型設(shè)計(jì)斷面。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

壩體滲透區(qū)概化為兩種巖性，其各自的滲透系數(shù)以水庫相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告中試驗(yàn)結(jié)果確定，壩體黏土心墻滲透系數(shù)2.6×10-5cm/s，具微~弱透水性；壩體砂礫石為5.8×10-2cm/s，具中等透水性，滲透性較大。不考慮大壩基巖的滲透性。

2.2.3 邊界條件

根據(jù)東河南寨水庫相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)際運(yùn)行情況，選取邊界條件為：①隔水邊界條件：將東河南寨水庫壩體壩頂和壩底定義為隔水邊界條件；②給定水位邊界條件：上、下游邊界設(shè)定為定水位邊界，其中壩體上游側(cè)給定水位為30.69m，下游側(cè)給定水位為20.0m；③滲出面邊界：將壩體下游側(cè)，上游給定水位、下游給定水位兩者高程差之間部分設(shè)定為滲出

面邊界。具體邊界條件設(shè)定如圖1。

圖1 壩體概念模型

2.3 單元網(wǎng)格剖分

采用三角形單元進(jìn)行剖分，其中壩體砂礫石部分按1m步長間距進(jìn)行剖分，黏土心墻部分采用0.5m步長間距剖分，共得到991個(gè)節(jié)點(diǎn)，1833個(gè)單元，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2。

圖2 壩體網(wǎng)格剖分

2.4 模擬結(jié)果及分析

模型參數(shù)，網(wǎng)格剖分設(shè)定完成之后，選擇菜單SEEP2D→Run SEEP2D開始模擬，并自動(dòng)生成流線分布圖、總水頭線分布圖、流場圖等一系列可視化圖件。圖3為壩體內(nèi)流線和等勢(shì)線分布，圖4為壩體內(nèi)二維矢量流場圖。

通過對(duì)兩圖分析可知，由于壩體砂礫料滲透系數(shù)較大，而黏土心墻壩滲透系數(shù)較小，根據(jù)滲透折射定律，在兩巖性接觸面會(huì)產(chǎn)生彎曲，而本次模擬很好地證明了這一點(diǎn)，并可以進(jìn)行定量表述。滲流在黏土心墻上游受阻，流速很小，穿越黏土心墻之后，出現(xiàn)明顯的貼合心墻邊緣的垂向運(yùn)動(dòng)，且速度變快。模型定量計(jì)算出東河南寨水庫大壩的日滲漏量為19.66m3，滲漏量較小。

圖3 壩體流線、等勢(shì)線分布

圖4 壩體二維矢量流場

3 結(jié)語

（1）用GMS的SEEP2D模塊對(duì)東河南寨水庫壩體滲流進(jìn)行分析，可以得到水庫滲流曲線、矢量流場圖、總水頭線圖等一系列成果，為水庫除險(xiǎn)加固提供分析依據(jù)。

（2）GMS建模方法和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)前處理操作（可以支持文本文件、CAD、ArcGIS、Mapinfo等相關(guān)文件格式的直接讀入），為模型的建立提供了方便快捷的手段；網(wǎng)格剖分靈活精細(xì)，模擬計(jì)算精度較高，可以滿足工程上的計(jì)算要求；后期出圖用戶自定制性強(qiáng)，且可以導(dǎo)出為其他文件格式進(jìn)行二次處理出圖。

（3）目前SEEP2D只適用于穩(wěn)定滲流計(jì)算，無法模擬非穩(wěn)定流問題，水庫水位下降時(shí)滲流場動(dòng)態(tài)變化過程。

［1］劉英泉，果有娜，孫連洪，等.GMS在大壩滲流穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.河海水利，2006（5）：47-49，57.

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Application of GMS in seepage analysis of Donghenanzhai Reservoir Dam

WANG Xiao-xu
（Water Resource Planning and Design Institute of Tangshan，Tangshan 063000，China）

Taking the Donghenanzhai Reservoir Dam for example，by the application of SEEP2D module of GMS software for reservoir dam seepage stability analysis and calculation，get the results of reservoir dam leakage，seepage field，and so on，and points out the advantages and disadvantages of the application of GMS software in dam seepage analysis.

GMS；SEEP2D；Donghenanzhai Reservoir；seepage analysis

TV223.4

B

1672-9900（2016）04-0058-03

2016-05-04

王小旭（1987-），男（滿族），河北灤縣人，助理工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，（Tel）13931508590。